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四層電路板的 PCB 設(shè)計(jì)服務(wù)

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四層電路板的 PCB 設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2015-11-12 08:25:48 分類:企業(yè)新聞

 關(guān)鍵詞 四層 PCB,抗干擾,嵌入式系統(tǒng)

摘 要
摘 要 詳細(xì)介紹有關(guān)電路板的 PCB 設(shè)計(jì)過程以及應(yīng)注意的問題。在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)普通元
器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則; 比較手工布線、 自動(dòng)布線及交互式布線的優(yōu)點(diǎn)
及不足之處; 介紹 PCB 電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關(guān)措施。 結(jié)合親身設(shè)計(jì)
經(jīng)驗(yàn),以基于 ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的 PCB 設(shè)計(jì)為例,簡(jiǎn)單介紹有關(guān)四層電路
板的 PCB 設(shè)計(jì)過程以及應(yīng)注意的相關(guān)問題。
印制電路板(PCB)在電子產(chǎn)品中,起到支撐電路元件和器件的作用,同時(shí)還提供電路元
件和器件之間的電氣連接。其實(shí),PCB 的設(shè)計(jì)不僅是排列、固定元器件,連通器件的引腳這
樣簡(jiǎn)單,它的好壞對(duì)產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大.甚至對(duì)今后產(chǎn)品的性能起著決定性作用。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,元器件和產(chǎn)品的外形尺寸變得越來越小,工作頻率越來越高,使
得 PCB 上元器件的密度大幅提高, 這也就增加了 PCB 設(shè)計(jì)、 加工的難度。 因此, 可以這樣說,
PCB 設(shè)汁始終是電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。
1 布局
所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的 PCB 上。 從信號(hào)的角度
講,主要有數(shù)字信號(hào)電路板、模擬信號(hào)電路板以及混合信號(hào)電路板 3 種。在設(shè)計(jì)混合信號(hào)電
路板時(shí),一定要仔細(xì)考慮,將元器件通過手工方式擺放在電路板的合適位置,以便將數(shù)字和
模擬器件分開,如圖 l 所示。
在安排 PCB 的布局過程巾, 關(guān)鍵的問題是: 開關(guān)、 按鈕、 旋鈕等操作件以及結(jié)構(gòu)件(簡(jiǎn)
稱“特殊元件”)等,必須事先安排到指定(合適)的位置上。放置好之后,可以設(shè)置元器什
的屬性,將 LOCK 項(xiàng)選中,這樣就可以避免以后的操作誤將其移動(dòng);而對(duì)于其他元器件的位
置安排, 必須同時(shí)兼顧布線的布通率和電氣性能的優(yōu)化, 以及今后的生產(chǎn)工藝和造價(jià)等多
方面因素.所謂的“兼顧”往往是對(duì)設(shè)計(jì)工作人員水平和經(jīng)驗(yàn)的挑戰(zhàn)。
1.1 特殊元件的布局原則
①應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短元器件之間的連線, 設(shè)法減小它們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干
擾。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近,輸入和輸出元件應(yīng)盡量彼此遠(yuǎn)離。
②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差, 因此應(yīng)加大它們之間的距離, 以避免放
電而引起意外的短路; 同時(shí)從安全的角度考慮, 帶高壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易
觸及的地方。
③對(duì)于質(zhì)量超過 15g 的兀器件, 應(yīng)當(dāng)使用支架加以固定后, 再進(jìn)行焊接。 那些又大又重、
發(fā)熱量大的元器件,不宜裝在印制板上,而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上;且要考慮散熱問題,
熱敏元器件應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
④對(duì)于電位器、可凋電感線、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局,應(yīng)考慮整機(jī)的
結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié),則應(yīng)放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方;若是機(jī)外調(diào)節(jié),則其位置要
與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。
1.2 普通元器件的布局
①按照電路的流程安排各個(gè)電路單元的位置, 使布局便于信號(hào)的流通, 并且盡量使信號(hào)
能夠保持一致的方向。
②以每個(gè)功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)當(dāng)均勻、整齊、緊
湊地排列在 PCB 上.盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接。
③在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般情況下,電路應(yīng)盡可能使
元器件平行排列,不僅可以達(dá)到美觀的效果,而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。
④位于電路板邊緣的元器件, 離電路板邊緣一般不小于 2mm; 電路板的佳形狀為矩形,
其長寬比可為 3:2 或 4:3。當(dāng)電路板面尺寸大于 200mm×150mm 時(shí),應(yīng)考慮電路板所承受
機(jī)械強(qiáng)度。若在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,開始時(shí)并不能確定 PCB 板所需的尺寸,則可以設(shè)計(jì)得稍
微大一些。 待 PCB 設(shè)計(jì)工作結(jié)束后, 可在 Protel DXP 中選擇 Design→Board Shape→Redefine
Board Shape 操作,對(duì)原先的 PCB 進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簟?/div>
另外,根據(jù)本人的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),若要對(duì)已有的電路板進(jìn)行某些功能的擴(kuò)充或縮減,需
要重新設(shè)計(jì)新的 PCB,則在實(shí)際布局時(shí)可以參照母板上的布局,通過手工方式將元器件安排
在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?;在布線過程中,再根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整,以進(jìn)一步提高布通率。
2 布線
布線是在布局之后,通過設(shè)汁銅箔的走線圖,按照原理圖連通所有的走線。顯然,布局
的合理程度將直接影響到布線的成功率, 因而往往在布線的整個(gè)過程中, 都需要對(duì)布局進(jìn)行
適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。布線設(shè)計(jì)可以采用雙層走線和單層走線;對(duì)于極其復(fù)雜的設(shè)計(jì),也可以考慮多
層布線方案。
在 PCB 設(shè)計(jì)中,布線足完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟??梢赃@樣說,前面各項(xiàng)準(zhǔn)備工作都是
為它而做的。PCB 布線有單面布線、雙面布線和多層布線。布線的方式有兩種:自動(dòng)布線和
交互式布線。
在 PCB 設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員往往希望能夠采用自動(dòng)布線的方式。在通常情況下,對(duì)于純數(shù)
字信號(hào)電路板(尤其信號(hào)電平比較低, 電路板密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒有問題的。 但
是,在設(shè)計(jì)模擬信號(hào).混合信號(hào)或高速電路板時(shí),如果也完全采用自動(dòng)布線,可就要出問題
了,甚至可能帶來嚴(yán)重的電路性能問題。
目前,雖然已經(jīng)有一些自動(dòng)布線的工具功能非常強(qiáng)大,通??梢赃_(dá)到 100%的布通率,
但是整體外觀效果不是很美觀, 有時(shí)連線排列雜亂無章, 兩個(gè)引腳之間的連線并不是短(
優(yōu))路徑。
對(duì)于電路相對(duì)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì), 請(qǐng)盡量不要完全采用自動(dòng)布線方式。 建議在采用自動(dòng)布
線之前, 首先采用交互式方式預(yù)先對(duì)那些要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線。 同時(shí)輸入端和輸出端
的邊線應(yīng)避免相鄰平行,以免產(chǎn)生反射干擾;兩相鄰層的布線要相互垂直,平行容易產(chǎn)生寄
生耦合,這一約束條件可以在布線規(guī)則中添加。
自動(dòng)布線的布通率,依賴于良好的布局。布線規(guī)則要預(yù)先設(shè)定,包括走線的彎曲次數(shù)、
導(dǎo)通孔的數(shù)目和步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式市線,快速地把短線先連通;然后再進(jìn)行
迷宮式布線,先把要布的線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化,它可以根據(jù)需要斷開已布的線,并重
新布線,以改進(jìn)總體效果。
在手工布線時(shí),為了確保正確實(shí)現(xiàn)電路,需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)規(guī)則:盡量采用地平
面作為電流回路;將模擬地平面與數(shù)字地平面分開;如果地平面被信號(hào)線隔斷,那么為減少
對(duì)地電流回路的干擾,應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直;模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置,數(shù)
字電路盡量靠近電源連接端放置,這樣做町以減小由數(shù)字開關(guān)引起的 di/dt 出效應(yīng)。
3 PCB 電路及電路抗干擾措施
抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系,也是一個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)問題。這里結(jié)合在 PCB
設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)做一些簡(jiǎn)單的介紹。
①電源線的設(shè)計(jì)。根據(jù) PCB 電流的大小,盡量加粗電源線的寬度(在布線設(shè)計(jì)規(guī)則中,
可以單獨(dú)為電源線和地線的線寬做新的約束規(guī)則),減少環(huán)路電阻,尤其要注意使電源線、
地線的供電方向與數(shù)據(jù)、信號(hào)的傳遞方向相反,有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
②地線的設(shè)計(jì)。 地線既是特殊的電源線, 又是信號(hào)線。 除了要遵循電源線的設(shè)計(jì)原則外,
還應(yīng)做到:數(shù)字地與模擬地分開;若線路板上既有邏輯電路又有線性電路,則應(yīng)使它們盡量
分開; 低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地, 實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地;
高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地, 地線應(yīng)短而粗, 高頻元件周圍盡量用柵格狀進(jìn)行大面積地敷
銅;盡量加寬電源和地線寬度,好是地線要比電源線寬一些,它們的寬度關(guān)系是,地線>
電源線>信號(hào)線。
③數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路,即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng),能提高抗噪聲能力。
④數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件,高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。
⑤在電源地線之間加上去耦電容,以提高電源回路的抗干擾能力。
4 具體實(shí)例
以下實(shí)例是基于 ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的 PCB 設(shè)計(jì)。
4.1 核心板原理圖
在核心板原理圖中,核心元件為 S3C44BOX。該元件是一款高性能的 16/32 位 RISC 微
處理器,66MHz 的主頻,內(nèi)部集成了 LCD 控制器,適用于手持設(shè)備,采用 160-QFP 封裝。在
該系統(tǒng)中, 電源電路需要使用 5V 和 3. 3V 的直流穩(wěn)壓電源, 其中 S3C44BOX 使用 2. 5V 電源,
外圍器件需 3.3V 電源,其他部分器件需 5V 電源;晶振電路用于向 CPU 以及其他電路提供
工作時(shí)鐘,S3C44BOX 使用常用的無源晶振;U6、U7 和 U9 構(gòu)成此系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。
4.2 四層電路板布線規(guī)則
①本 PCB 設(shè)計(jì)使用的軟件工具為 Protel DXP。該核心板為四層電路板,頂層和底層為
信號(hào)層,中間哺層分別為電源層和地層。頂層和底層的 PCB 圖如圖 2 和圖 3 所示。
②母板的原始 PCB 尺寸為 55mm×70mm,但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,若也將 PCB 尺寸設(shè)計(jì)
此值,則在布線過程中會(huì)遇到難以布通的實(shí)際困難,因此先將板尺寸設(shè)計(jì)得稍微大一些,在
布線成功之后,選擇 Design→Board Shape→Redefine Roard Shape 對(duì) PCB 板進(jìn)行裁剪。
③在由原理圖生成 PCB 圖時(shí),通過手工的方式,將一些要求比較嚴(yán)格的元器件(U5、U6、
U7 和 U9)放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫⑵滏i定;同時(shí)要將晶振放置在 U5 的附近。在擺放其他元
器件時(shí)也要注意元器件之間的距離,如果兩個(gè)元器件距離太近,則會(huì)產(chǎn)生干擾,并呈綠色顯
示。
④在系統(tǒng)中,S3C44BOX 的片內(nèi)工作頻率為 66MHz。因此,在印刷電路板設(shè)計(jì)過程中,
應(yīng)該遵循一些高頻電路的設(shè)計(jì)基本原則,否則會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。
⑤對(duì)于目前高密度的 PCB 設(shè)計(jì), 已經(jīng)感覺到貫通孔不太適應(yīng)了, 浪費(fèi)了許多寶貴的布線
通道。為解決這一矛盾,出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù),它不僅實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通孔的作用,而且還省出
許多布線通道,使布線過程完成得更加方便、流暢,更加完善。在大多數(shù)教程中,也提倡在
多層電路板設(shè)計(jì)中采用盲孔和埋孔技術(shù)。 這樣做雖然可以使布線工作變得容易, 但是同時(shí)
也增加了 PCB 設(shè)計(jì)的成本。 因此是否選取此技術(shù), 要根據(jù)實(shí)際的電路復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)能力來
決定。筆者在設(shè)計(jì)四層板的過程中并沒有采用此技術(shù),如果覺得貫通孔數(shù)目太多,則可以在
布線前在布線規(guī)則中限制打孔的上限值。
⑥在布線前, 預(yù)先在布線規(guī)則中設(shè)置頂層采用水平布線, 而底層則采用垂直布線的方式。
這樣做可以使頂層和底層布線相互垂直, 從而避免產(chǎn)生寄生耦合; 同時(shí)在引腳間的連線拐彎
處盡避免使用直角或銳角,因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l電路中會(huì)影響電氣性能。
⑦PCB 設(shè)計(jì)采用交互式布線方式。首先對(duì)元器件 J1、J2 與 U5 之間的引腳連線手工進(jìn)行
預(yù)布線,在微處理器的輸入/輸出信號(hào)中,有相當(dāng)一部分是相同類型的,如數(shù)據(jù)線、地址線
和信號(hào)線。對(duì)于這些相同類型的信號(hào)線應(yīng)該成組、平行分布,并注意它們之間的長短差異不
要太大,這樣既可以減小干擾,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又可以使布線變得簡(jiǎn)單,印刷電路板
外觀更加整齊美觀。 然后對(duì)其余元器件采用自動(dòng)布線(其問可以嘗試不同的布線策略), 當(dāng)布
線成功之后,對(duì)一些不理想的布線可以進(jìn)行修改、優(yōu)化。
⑧布線設(shè)計(jì)完成后, 須認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則, 同時(shí)電需要確
認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求;然后對(duì)焊盤補(bǔ)淚滴,使焊盤不容易起皮,
走線與焊盤不易斷開;后對(duì)印制線路板上進(jìn)行大面積敷銅,這樣有利于散熱和屏蔽,減小
干擾。 由于印制線路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長時(shí)間受熱時(shí), 會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性
氣體無法排除,熱量不易散發(fā),以致產(chǎn)生銅箔膨脹、脫落現(xiàn)象,因此在大面積敷制時(shí),應(yīng)將
其開窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。
結(jié)語
本文中主要介紹丁有關(guān)電路板的 PcB 沒汁過程以及注意事項(xiàng), 并將親身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和大家
共同分享, 但由于本人能力有限, 尚存在許多不足之處, 望能夠得到專業(yè)人士的指正和賜教。
總之,PCB 板的沒計(jì)過程是一個(gè)既復(fù)雜而又簡(jiǎn)單的過程,還需廣大電子工程設(shè)計(jì)人員自己去
體會(huì),才能得到其中的真諦。
來源:四層電路板的 PCB 設(shè)計(jì)

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